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减震技术丨建筑基础消能隔震技术 
发布日期:2018-02-06 浏览次数:2356次

建筑基础消能隔震技术是目前世界地震工程界推广应用较多的成熟高新技术之一。

地震是人类社会无法避免的一种自然现象,地震造成的人员伤亡和经济损失90%甚至更多源于建筑物倒塌所致。因此世界各国都在致力于做好工程抗震减灾工作,致力于提高建设工程的抗震设防水平,提高建设工程的抗震能力。

基础隔震技术是目前世界地震工程界推广应用较多的成熟高新技术之一。被美国地震专家称之为“40年来世界地震工程最重要的成果之一,基础隔震技术的使用使建筑在地震中不倒塌真正成为可能,使其成为减轻地震灾害最有效的手段之一。”地震专家、中国工程院院士、广州大学工程抗震研究中心主任周福霖认为,隔震、减震、消能控震都是“以柔克刚”的抗震好办法,是未来的发展潮流,其效果远远好过加粗房屋柱子的传统抗震方法。本期《科普之窗》将为您讲述建筑基础消能隔震技术知识,增强广大市民的防震减灾意识。

建筑中的隔震垫安装

消能隔震技术

地震引起地面往复运动,使地面上原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强迫振动,因而在结构中产生内力、变形和位移,造成房屋破坏、桥梁塌落以及其他众多工程设施损毁。地震专家经过对简化后的模型动力学分析和建筑抗震经验设计,即一次次的震害分析进行修正、补充,得到一些建筑物在地震作用下的反应机理及破坏形式,提出了一些建筑物抗震的计算方法及设计的基本原则,即在建筑设计和施工中采用隔震或消能减震技术。隔震是将工程结构和地面分割开来,并通过一套专门的支座装置和地面相连接,形成一个水平向柔弱层,安装支座后结构振动基本周期被显著延长,可以避开地震动的卓越周期,这样就能减少地震能量的传输,从而降低结构的地震反应、有效地保护结构免遭地震破坏。减震又称为消能减震,是通过增加工程结构自身的阻尼,消耗结构振动能量,减少结构的地震反应程度,有效提高结构的抗震性能。

传统房屋采用“刚性抗震”方法通过增加截面尺寸,提高材料强度等级,以提高抗震能力。但缺点是允许房屋结构破坏,提高了工程造价,抵御不了大地震。 隔震房屋则另辟蹊径采用“柔性抗震”方法,在建筑物基础与地基之间用隔震层将其上下隔断,使80%以上的地震能量不能传递上来,地震时地动而房不动,提高了抗震能力。隔震房屋比传统抗震房屋的安全度可提高90%左右。强震时不仅房屋不会损坏、倒塌,功能系统也不会被损坏;人员可以不必疏散,照常工作。

隔震建筑主要采用橡胶支座隔震,橡胶隔震支座能减小地震作用,消除或有效减轻结构或非结构的损坏,从而起到隔离消减地震能量的作用。从技术角度讲,建筑基础隔震技术是在建筑上部结构与基础(或下部)结构之间,设置可以人为改变结构体系振动特性的隔震系统,使建筑物上部结构与地基“隔开”,“隔断”地震能量向上部结构的有效传递路径。实际上是通过隔震层的水平向大变形运动消耗掉大部分地震能量,减轻上部结构所受到的惯性地震作用,有效降低地震引起的结构加速度反应、减小层间剪力及相应的剪切变形。与以往的建筑结构抗震设计,采用隔震技术的建筑物具有以下优点:①提高地震时结构的安全性;②设计自由度增大;③防止内部物品的振动移动和翻倒;④防止非结构构件的破坏;⑤抑制振动的不适感;⑥可以保证机械器具的使用功能。从经济角度讲,抗震设防烈度越高,采用隔震措施所获得的直接经济效益就越明显。以采用叠层橡胶垫隔震技术为例,以达到相同的抗震能力为衡量标准,当抗震设防基本烈度为9度时,与相同规模的非隔震建筑相比,隔震后建筑物的平均土建造价最高可节省约15%一20%;8度时,最高可节省土建造价约10%;7度时,基本不节省造价,或造价略有增加约1%一5%左右;6度时,土建造价增加约10%。虽然上述比较是以达到相同的抗震能力为衡量标准,但实际上6、7度设防时,采用基础隔震措施后,房屋的实际抗震能力已远大于相同不隔震建筑的抗震能力,其所带来的安全储备大幅度提高(可提高2一10倍)。在隔震设计时,要经过计算,进行多方案比较选择最佳方案。不经过计算而直接采取隔震措施,有时会导致隔震效率不高或者不经济。当处理不好时,还可能产生共振,不仅无益还会加大震害。

隔震支座解剖图

隔震原理及隔震形式

隔震技术尚属新兴学科,它能有效地吸收地震能量,减少结构的水平地震作用,从而消除或减轻结构和非结构的地震损坏,增强建筑物及内部设施和人员的地震安全性,提高建筑物的抗震能力。

从隔震结构原理的模型图分析得知:(1)弹簧的刚度越大,振子的周期就越短;弹簧的刚度越弱,振子的周期就越长。当弹簧的刚度特别大,则建筑物就不能滚动,只有自身的往复变形运动,即建筑物的自身振动,隔震措施就没有发挥出隔震作用;当弹簧的刚度特别小时,建筑物就不能往复运动,即不能成为振子;(2)当滚珠的摩擦力特别小时,建筑物的往复运动就不会停止;当滚珠的摩擦力特别大时,建筑物就会立刻停止。因此,建筑物的运动特性取决于自振周期和阻尼两个因素,而自振周期又取决于建筑物的质量和弹簧的刚度。可知,对建筑物采取的隔震措施,其效果取决于隔震器和阻尼器的特性。

根据隔震形式的不同,建筑隔震技术分为基础隔震和悬挂隔震。基础隔震就是在建筑物或构筑物的基底设置隔震装置。基础隔震概念最早是由日本学者河合浩藏于1881年提出的。主要有以下几种方式:①橡胶支座。它是由多层橡胶和钢板相互叠加而成,在施加竖向荷载时,由于橡胶受到钢板的约束,不会产生很大的横向变形,即具有很强的抗压能力;水平方向有很大的变形能力,在地震作用下,橡胶垫可以隔离水平方向的运动分量。最初是在1965年用于伦敦的地铁车站上面的建筑,采用多层橡胶支座防止了地铁的振动传给上部建筑物。②铅心橡胶垫。它是对橡胶支座的一大改进。在橡胶支座中心钻孔,插入一个铅芯,利用其塑性变形能力把支座的临界阻尼从3%增加到10%~15%。因此,在低阻尼要求的情况下,可以不使用阻尼器。③柔性桩结构。它是采用立在套管中的桩来隔震,桩顶铰接,使桩在水平方向有一定的柔性,套管和桩之间有一定的间隙,使桩可以在套管中变位,将结构与可能发生有害地震的土层分开。当桩顶安置阻尼器时,可构成有效的隔震基础系统。

也可采用阻尼器的方式:①油阻尼器。它是比较理想的阻尼材料。根据流体动力学理论可以设计各种形式的油阻尼器。所采用的油材料很多,通常油硅油、机械油、柴油机油、变压器油等。在设置时,一般不少于四个,对称布置在基础的四角,避免在体系质心的坐标轴线上布置阻尼器。②摩擦阻尼器。将几块钢板用高强螺栓连在一起,可做成摩擦阻尼器。通过调节高强螺栓的预应力,就可调节钢板间摩擦力的大小。通过对钢板表面进行处理或加垫特殊摩擦材料,可以改善阻尼器的往复摩擦性能。③弹塑性阻尼器。低碳钢具有良好的塑性变形性能,可在超过屈服应变几十倍的塑性应变上下往复变形数百次而不断裂。根据需要,可以将钢板(棒)弯成各种形状做成阻尼器。

消能隔震技术还有一种形式就是悬挂隔震,悬挂隔震即将结构的全部或大部分质量悬挂起来,使地震动传递不到主体质量上,产生较小的惯性力,从而起到隔震作用。悬挂结构在桥梁、火电厂锅炉架等方面有大量应用。悬挂结构悬杆受力较大,须采用高强钢,而高强钢忍性差,在竖向地震作用时易拉断。为减小竖向地震作用,可在吊点设减震弹簧,并配合使用阻尼器。著名的43层香港汇丰银行新大楼采用的就是悬挂结构。

消能隔震技术的发展与现状

目前,较为成熟的建筑隔震技术包括:叠层橡胶支座隔震、摩擦摆隔震、滚轴支座隔震、滑移隔震、混凝土短柱支座隔震等,其中叠层橡胶支座隔震技术的应用最为普遍。

世界上大约有30多个国家在开展这方面的研究,这项技术已被应用在桥梁、建筑,甚至是核设施上:1977年法国第一次将橡胶隔震技术应用于原子能反应堆中;1984年新西兰建造了第一幢叠层橡胶支座的四层建筑物;1985年美国建成第一座四层的叠层橡胶支座隔震大楼——加州·圣丁司法事务中心;1986年日本建成一幢五层高技术中心楼,采用铅芯橡胶隔震支座。截止目前,世界上大约已建成了4000多幢橡胶隔震建筑。

上世纪80年代以来,基础隔震技术研究开始在中国得到重视,国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了研究,取得了很大的进展。截至目前,我国采用叠层橡胶隔震支座建设的各类房屋建筑面积已达几百万平方米以上,遍布大江南北十几个省市自治区。不过,虽然我国的隔震减震技术研究已处于世界先进行列,但其推广应用并不理想。自1989年开始应用至今,我国只有3000多栋房屋、100多座桥梁使用了该技术。周福霖院士认为,造成上述现象的主要原因在于:一是设计人员抗震设防思维落后,错将设防烈度当做安全的准确指标;二是政府管理部门意识落后;三是开发商为追求经济利益,降低设防标准;四是施工人员没有完全了解并掌握隔震减震技术。周福霖说:“但不管怎样,隔震减震技术仍是我国工程技术的发展方向之一,未来应从单纯采用传统抗震技术过渡到同时采用抗震、隔震、减震技术的新时代。”他的理想是让地震中的建筑物能像停泊在水里的船一样,飘动几下又归于平静;让地震像一场暴风雨一样,平凡而不可怕。

实际结构地震反应记录和试验研究表明,建筑物采取有效的隔震措施后,可以有效地保护上部结构免遭破坏,同时室内装修及设备也可得到有效保护,即使在强震作用下也可保持建筑功能完好。在类似于汶川大地震这样千年难遇的意外事件发生时,不但会保护生命财产的安全,更重要的是地震将不再是毁灭性的灾难,不再会

对社会造成巨大的恐慌。

适用范围与应用实例

一般来说,隔震结构可以适合各种用途的建筑,并都能获得较好的隔震效果。出于结构的安全性、房屋内部物品的振动翻到、防止构件二次损坏等因素,更适合用隔震措施的建筑物有:住宅(居民住宅、养老院、疗养院)、公共建筑(剧院、医院、旅馆)、防灾中心建筑(学校、消防局)、核电设施(核电站、仓库)、尖端产业设施(研究所、超精密加工厂)、纪念性建筑物(纪念建筑、寺庙)等等。

实例①:1995年云南武定6.5级地震,地震发生时,大理震感强烈,而橡胶垫隔震建筑——大理州交通指挥中心大楼中的大多数人没有感觉,不知道地震发生。

实例②:1996年,云南丽江发生7级强烈地震。西昌市国税局宿舍楼为六层隔震楼。在楼上居住的职工,只是感到轻微的晃动,而相邻的一幢常规抗震楼只有四层高,楼上居住的人摇晃十分厉害,惊慌失措往外逃跑。

实例③:芦山县人民医院系汶川地震后澳门同胞捐款修建的,为6层钢筋混凝土框架结构,在基底采用叠层橡胶支座,上部结构按照Ⅶ度设防。2013年4月20日芦山M7.0地震后,该医院处于Ⅸ度区,周边相邻非隔震建筑破坏严重,但人民医院不但结构、装修完好,连窗户玻璃和楼顶招牌都完好无缺,各楼层医疗设施也完好无损。震后为伤员救治发挥了重要作用,因而被网友称为“楼坚强”。其秘密就在于支座的弹簧缓冲效应。

实例④: 全球最大的减隔震单体建筑——昆明新机场航站楼的实现,开发了大尺寸高荷载支座、低硬度隔震支座、高阻尼隔震支座以及低摩擦系数的滑移支座。在橡胶配方、生产工艺方面实现了自助创新,克服间隔震支座产品性能和质量稳定性差的难题,抗震性能达到了发达国家水平。昆明新机场航站楼隔震技术所实现的科技创新,取得了多项专利,有关经验丰富和完善了我国隔震技术的国家标准和有关行业规范,推动了隔震技术的进步。

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建筑基础隔震技术发展应用史

早在二十世纪60年代中后期,新西兰、日本、美国等国家就已经对建筑基础隔震技术开展了系统的理论和试验研究,并取得了较好的成果。

上世纪70年代初,新西兰率先开发出铅芯叠层橡胶支座,1974年世界首栋隔震建筑在新西兰建成。90年代,全世界共有30多个国家和地区围绕这一问题展开了更加广泛深入的研究和应用。1994年洛杉矶地震和1995年日本阪神地震后隔震技术得到迅速发展,并相继写入各国抗震规范,美国、日本开始大量采用隔震建筑。

我国于上世纪60年代开始建筑基础隔震理论及应用技术的探索研究,80年代后期获得重视,90年代以后取得长足进步并在许多重要工程中获得应用。2001年建筑基础隔震减震技术写入我国《建筑抗震设计规范》,更标志着隔震技术在我国的成熟发展。